清潔型基質(zhì)的屋頂綠化徑流效應(yīng)

殷金巖 趙秀芳 朱心寧

摘 ?要：選取2種基質(zhì)構(gòu)成的4種綠色屋頂（試驗(yàn)框1、2、3和4）的徑流為研究對象，通過9場連續(xù)降雨監(jiān)測，分析探討了徑流控制率以及徑流水質(zhì)特點(diǎn)。結(jié)果表明，清潔型基質(zhì)的徑流控制率可以達(dá)到42%～68%，常規(guī)基質(zhì)的徑流控制率為30%～58%，并且隨著基質(zhì)厚度的增加，徑流控制率呈增加趨勢;清潔型基質(zhì)徑流中TP濃度低于常規(guī)基質(zhì);清潔型基質(zhì)徑流中COD、NH3-N和TN濃度低于常規(guī)基質(zhì)徑流中的濃度，但兩者均高于天然降雨中的濃度;清潔型基質(zhì)徑流的TSS濃度明顯低于硬化屋面和常規(guī)基質(zhì)徑流中的濃度，TSS的消減率平均可達(dá)到34.6%。

關(guān)鍵詞：綠色屋頂;清潔型基質(zhì);徑流;水質(zhì)

中圖分類號 TU823文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2019）05-0130-04

Abstract：Four green roofs （box 1，2，3 and 4） based on two substrates were selected for study.By monitoring nine consecutive rains，the control rate and water quality characteristics of four green roofs were analyzed.The results show that the runoff control rate of clean substrate can reach 42% ～68%，the runoff control rate of conventional substrate is 30% ～58%，and the runoff control rate increases with the increase of substrate thicken TSS.The concentration of TP in clean substrate runoff is lower than that of conventional substrate;Concentrations of COD，NH3-N and TN in clean substrate runoff were lower than those in conventional substrate runoff and were higher than those of COD，NH3-N and TN in natural rainfall;The TSS concentration in clean substrate runoff is significantly lower than that in hardened roof and conventional substrate runoff，and the TSS reduction rate can reach 34.6 %.

Key words：Green roof;Clean substrate;Runoff;Water quality

近年來，城市雨水利用作為緩解水資源短缺和洪澇災(zāi)害問題的一項(xiàng)重要措施正日益受到重視，屋面雨水因收集量較為集中而成為一種可利用資源[1]。屋頂綠化的基質(zhì)成分直接影響綠色屋頂雨水收集回用的水質(zhì)，在開發(fā)清潔型基質(zhì)，通過基質(zhì)層的過濾和吸附作用消減徑流中的污染物方面，目前研究較少[2-4]。筆者基于清潔型基質(zhì)，研究其綠色屋頂徑流效應(yīng)，以期為后續(xù)工程實(shí)踐提供理論支撐，促進(jìn)城市節(jié)能環(huán)保與生態(tài)文明建設(shè)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)概況 試驗(yàn)地點(diǎn)位于廣東省東莞市，東莞市屬亞熱帶氣候區(qū)，夏季多南風(fēng)，夏秋季（7～10月）常有8級以上的臺風(fēng)侵襲，冬季盛行東風(fēng)和北風(fēng)。靠近東江沿岸，受季風(fēng)影響，四季分明，最高溫度36℃，最低1～3℃，平均氣溫22℃。年日照時間在200d以上，無霜期350d，年降雨量在1800～2000mm。

1.2 降雨特征 徑流監(jiān)測在2016年降雨集中的7～9月，共監(jiān)測12場降雨，去除異常監(jiān)測數(shù)據(jù)后共統(tǒng)計(jì)9場降雨，降雨事件的雨前干旱時間、降雨量、降雨歷時情況如表1所示。

由表1可以看出，降雨事件的雨前干旱時間的變化范圍為6～53h，降雨量的變化范圍為4.1～85.5mm，降雨歷時的變化范圍為2～17h，降雨量、雨前干旱時間和降雨歷時的變化范圍較大，降雨事件具有一定代表性。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)基于簡式的屋頂綠化工藝，結(jié)構(gòu)包括植被層、椰絲層、基質(zhì)層、過濾層、蓄排水層和防水阻根層，共設(shè)置了4個綠色屋頂試驗(yàn)框，試驗(yàn)框的結(jié)構(gòu)組成見表2。試驗(yàn)中綠色屋頂試驗(yàn)框1和3的尺寸為1m×1.5m×0.3m，試驗(yàn)框2和4的尺寸為1m×1.5m×0.5m，由PVC材料制成，放置在屋面上，傾角與屋面傾角一致（如圖1）。在試驗(yàn)框一面基質(zhì)層底端鉆一排側(cè)向溢流口，溢流口下方設(shè)置徑流收集槽，收集徑流量。

試驗(yàn)中使用2種基質(zhì)類型，一是清潔型基質(zhì)（ZL201510576711.8），另一種是常規(guī)基質(zhì)。其中，清潔型基質(zhì)模擬土壤團(tuán)粒形成過程，采用膨脹珍珠巖作為土壤團(tuán)粒的無機(jī)礦物，利用粘結(jié)劑把有機(jī)肥粘結(jié)在珍珠巖表面，在造粒過程中形成滿足要求的人造團(tuán)粒結(jié)構(gòu);常規(guī)基質(zhì)采用珍珠巖、椰糠、有機(jī)肥均勻混合而成，是非團(tuán)粒性結(jié)構(gòu)。

采用采樣桶進(jìn)行采樣，徑流水質(zhì)比較穩(wěn)定，產(chǎn)流開始30min后，每10min采樣1次;1h后，每30min采樣1次。對水樣進(jìn)行編號，通過水質(zhì)檢測儀進(jìn)行檢測，檢測項(xiàng)目包括pH、COD、TSS、NH3-N、TN、TP，水質(zhì)分析方法如表3所示。同時采集橋頭硬化屋面的屋面徑流以及天然降雨作為對比試驗(yàn)，對比綠色屋頂徑流水質(zhì)、硬化屋面徑流水質(zhì)和天然雨水水質(zhì)，水質(zhì)監(jiān)測方法如表3所示。通過公式計(jì)算徑流控制率：徑流控制率=（降雨量?徑流量）/降雨量。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流控制 試驗(yàn)框1（清潔型基質(zhì)15cm）、試驗(yàn)框2（清潔型基質(zhì)10cm）、試驗(yàn)框3（常規(guī)基質(zhì)15cm）、試驗(yàn)框4（常規(guī)基質(zhì)10cm）結(jié)構(gòu)不同，徑流控制也有一定差異。由圖2可知，試驗(yàn)框1、試驗(yàn)框2、試驗(yàn)框3和試驗(yàn)框4在不同的降雨量條件下，隨著降雨量增大，徑流控制率呈降低的趨勢，說明徑流控制率和降雨量存在負(fù)相關(guān)關(guān)系;在相同基質(zhì)不同厚度的處理?xiàng)l件下，試驗(yàn)框1的徑流控制率高于試驗(yàn)框2，試驗(yàn)框3高于試驗(yàn)框4，說明基質(zhì)層厚度與徑流控制率呈正相關(guān)的關(guān)系;在不同基質(zhì)同一厚度的處理?xiàng)l件下，試驗(yàn)框1的徑流控制率高于試驗(yàn)框3，試驗(yàn)框2高于試驗(yàn)框4，說明在相同條件下清潔型基質(zhì)的徑流控制率高于常規(guī)基質(zhì)。在本試驗(yàn)條件下，基質(zhì)層厚度達(dá)到15cm時，清潔型基質(zhì)的徑流控制率可以達(dá)到42%～68%，常規(guī)基質(zhì)為30%～58%。

2.2 徑流水質(zhì) 選取9場降雨中具有代表性的3場作為徑流污染物分析對象，對降雨、硬化屋面、試驗(yàn)框1、試驗(yàn)框2、試驗(yàn)框3和試驗(yàn)框4的水質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果見表4。

由表4可知，在第1場降雨中，NH3-N、COD和TN的濃度以常規(guī)基質(zhì)處理（試驗(yàn)框3和試驗(yàn)框4）徑流中最高，其次是清潔型基質(zhì)處理（試驗(yàn)框1和試驗(yàn)框2）和硬化屋面處理，降雨中所含NH3-N的濃度最低;而同一種基質(zhì)不同厚度處理NH3-N的濃度差異不大;隨著降雨次數(shù)的增加，各基質(zhì)處理徑流中所含NH3-N的濃度呈下降趨勢。

在3場降雨中，清潔型基質(zhì)處理（試驗(yàn)框1和試驗(yàn)框2）徑流中TP的濃度與天然降雨和硬化屋面中TP濃度相近，常規(guī)基質(zhì)處理（試驗(yàn)框3和試驗(yàn)框4）徑流中的TP濃度明顯高于清潔型基質(zhì)處理（試驗(yàn)框1和試驗(yàn)框2），說明常規(guī)基質(zhì)中富含的營養(yǎng)物濃度較高，且較容易流失，團(tuán)粒性的清潔型基質(zhì)則大大降低了TP的流出量。

對比硬化屋面、清潔型基質(zhì)和常規(guī)基質(zhì)徑流的TSS指標(biāo)，清潔型基質(zhì)處理（試驗(yàn)框1和試驗(yàn)框2）明顯低于硬化屋面和常規(guī)基質(zhì)處理（試驗(yàn)框3和試驗(yàn)框4），說明團(tuán)粒性結(jié)構(gòu)的清潔型基質(zhì)能夠有效降低雨水徑流中懸浮物，相較于硬化屋面，TSS的消減率平均可達(dá)到34.6%。

3 結(jié)論與討論

（1）Mentens等人研究發(fā)現(xiàn)綠色屋頂對降雨具有很強(qiáng)的消減作用[5]。本研究結(jié)果也顯示清潔型基質(zhì)處理的徑流控制率高于常規(guī)基質(zhì)處理，并且隨著基質(zhì)厚度的增加，徑流控制率增加，清潔型基質(zhì)的徑流控制率可以達(dá)到42%～68%，常規(guī)基質(zhì)的徑流控制率為30%～58%。

（2）屋頂綠化建設(shè)中所使用的富含營養(yǎng)物質(zhì)的土壤（堆肥及人造肥料）和正在施肥的屋頂綠化通常被認(rèn)為是磷源[6]。本研究中，常規(guī)基質(zhì)徑流中的TP濃度明顯高于天然降雨，說明常規(guī)基質(zhì)中富含的營養(yǎng)物濃度較高，而清潔型基質(zhì)徑流中TP濃度與天然降雨中TP濃度相近，團(tuán)粒性的清潔型基質(zhì)則大大降低了TP的流出量。

（3）魏艷萍等對拓展型屋頂綠化屋面徑流污染物進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)對于污染物TN、TSS、COD而言拓展型屋頂綠化大于天然降雨[7]。本研究中清潔型基質(zhì)徑流中COD、NH3-N和TN的濃度低于常規(guī)基質(zhì)，但均高于天然降雨中的濃度。

（4）對比硬化屋面、清潔型基質(zhì)和常規(guī)基質(zhì)徑流的TSS指標(biāo)，清潔型基質(zhì)明顯低于硬化屋面和常規(guī)基質(zhì)，說明團(tuán)粒性結(jié)構(gòu)的清潔型基質(zhì)能夠有效降低雨水徑流中懸浮物，相較于硬化屋面，TSS的消減率平均可達(dá)到34.6%。

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（責(zé)編：徐世紅）